Development of polymeric coatings with combined antifouling/antibacterial properties for titanium dental implants

Abstract

Titanium dental implants are a commonly used solution for the replacement of lost teeth. Even though the success rate is high, the number of infections related to the placement of the implant is still remarkable and may impair the proper function of the device, leading to health and economic costs. The infections related to medical devices start with a bacterial adhesion and proliferation on the material surface, leading to the formation of a complex biofilm able to protect the bacteria from the host immune response and the treatment with antibiotic. Due to the difficulty of treatment of the implant site one the biofilm is settled, one of the strategies to avoid the infection is to deal with the initial bacterial adhesion. This PhD thesis deals with the development of polymeric antibacterial coatings on titanium for dental implants, focusing on the achievement of fast and cost-effective procedure. With this aim, different coating strategies have been developed, tested and compared. A pre-treatment of the titanium surface was optimized in the first part of the thesis in order to achieve a clean surface and to enhance the chemical reactivity of the titanium oxide. With this aim, low pressure plasma activation was the selected method. The use of plasma activation allows for the removal of organic contaminants while increasing the surface energy of the treated surfaces. For the preparation of the polymeric antibacterial coatings, two different antifouling polymers have been used, namely, polyethylene glycol (PEG) and poly-2-hydroxyethylmetacrylate (PHEMA). PEG coatings were prepared by three different techniques, a wet chemical technique (silanization), a plasma enhanced chemical vapor deposition and an electrochemical process (electrodeposition). The three methods rendered an ultra-thin coating able to resist the bacterial adhesion. On the other hand, PHEMA-like coatings were prepared in a novel set-up by treating the liquid monomer by a plasma jet. Moreover, the different coatings were biofunctionalized in order to achieve multifunctionality and enhance the performance of the coating. For instance, the combination of PEG with a cell adhesion peptide (RGD) reported a better human fibroblast adhesion while maintaining the antifouling properties of the coating. PEG was also used as a platform for the immobilization of antimicrobial peptides (AMP). The bonding of the polymer with the AMP was optimized, achieving a surface able to reduce the bacterial adhesion and to kill the bacteria still able to adhere to the surface. Finally, the combination of two different plasma polymerized coatings with antibiotics (either Doxycycline or Vancomycin) was used as a drug delivery system.

Els implants dentals de titani són la solució més estesa per substituir peces dentals. Tot i que les taxes d'èxit són elevades, el nombre d'infeccions relacionades amb la col·locació de l'implant és elevat, i influeix en el mal funcionament de l'implant, amb un elevat cost tan a nivell econòmic com de salut. Les infeccions associades als dispositius sanitaris comencen amb una adhesió i proliferació dels bacteris a la superfície del material, que comporta la formació d'un biofilm capaç de protegir els bacteris de l'acció del sistema immunitari de l'hoste i del tractament amb antibiòtics. Aquesta tesi doctoral es basa en el desenvolupament de recobriments polimèrics antibacterians en titani per aplicacions dentals, buscant aconseguir mètodes ràpids i econòmics. Per tal d'assolir aquest objectiu, s'han desenvolupat, provat i comparat diferents estratègies per obtenir els recobriments. En la primera part de la tesi s'ha optimitzat un pretractament de la superfície del titani, per tal d'obtenir una superfície neta i millorar la reactivitat química de l'òxid de titani. El mètode seleccionat per l'activació ha estat l'activació per plasma, que permet eliminar els contaminants orgànics i augmentar l'energia superficial de les mostres tractades. Els polímers seleccionats per als recobriments han estat el polietilenglicol (PEG) i el 2-hidroxietilmetacrilat (PHEMA), que tenen propietats antifouling. Per preparar els recobriments de PEG s'han utilitzat tres mètodes diferents, la silanització, la polimerització per plasma i l'electrodeposició. Els tres mètodes han donat com a resultat una capa fina capaç de resistir l'adhesió bacteriana. Per altra banda, els recobriments amb PHEMA s'han preparat amb una nova metodologia, tractant el líquid amb un plasma jet. Els diversos recobriments s'han biofuncionalitzat per tal d'aconseguir una multifuncionalitat i millorar el seu funcionament. La combinació del PEG amb un pèptid d'adhesió cel·lular ha permès millorar l'adhesió de fibroblasts i mantenir les propietats antifouling del recobriment. La immobilització de pèptids antibacterians al PEG permet obtenir una superfície resistent a l'adhesió bacteriana i amb efecte antibacterià sobre els bacteris capaços d'adherir-se al recobriment. Per últim, la combinació de dos recobriments preparats per polimerització per plasma amb dos antibiòtics (vancomicina o doxiciclina) permet obtenir un sistema d'alliberació de fàrmacs a la superfície del titani.